「中國天眼」FAST望遠鏡首次發現脈衝星！這顆星星，獻給他
就在剛才，中科院國家天文台發布了一個令人振奮的消息：我國在貴州建設的世界最大單口徑射電望遠鏡，被譽為「中國天眼」的大鍋，五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST），發現了新的脈衝星！而且不止一個！
我不知道你怎麼想，反正我是立刻想要把這個好消息告訴一個人——FAST望遠鏡之父，9月15日剛剛駕鶴西歸的南仁東老師。
南仁東。攝影：國家天文台 張蜀新
你也許讀過南老的故事。南仁東老師胼手砥足20多年，帶領團隊在祖國西南連綿的大山裡翻山越嶺，克服無數艱難險阻，一磚一瓦的修建起了讓世界矚目的國之重器——「中國天眼」FAST望遠鏡。然而就在FAST望遠鏡即將迎來初光一周年之際，他卻因肺癌晚期病情惡化，撒手人寰。
實際上就在南老去世前5天的9月10日，從澳大利亞帕克斯望遠鏡傳來了好消息：它在驗證觀測中，確認了FAST望遠鏡在8月22日發現的一顆脈衝星候選體：這是FAST望遠鏡確認發現的第一顆新脈衝星，被稱為FAST脈衝星一號（FP1），自轉周期1.83秒，距離粗估1.56萬光年。
FAST脈衝星一號被發現時所觀測到的9個單脈衝輪廓。視頻製作：國家天文台
而且FAST望遠鏡發現這顆脈衝星時，只用了52.4秒的觀測，得到的信號/雜訊比值（信噪比）就達到了帕克斯望遠鏡驗證時所用2100秒觀測的3倍！FAST的靈敏度之高，果然名不虛傳！
A上：FP1脈衝星的平均脈衝輪廓；A下：多個單脈衝輪廓。
B：FAST脈衝星二號（FP2）的多個單脈衝輪廓。
圖片來源：國家天文台
我的導師，FAST望遠鏡副總工程師李菂研究員，接到發現獲得驗證的喜訊後馬上給南老發了一封郵件。
然而南老……沒有回復。
據推測，當時南老病情已經開始惡化，被轉入重症監護病房。我們不清楚南老有沒有看到這封郵件。
多希望他沒有帶著遺憾離開！
畢竟這是FAST望遠鏡蹣跚稚嫩的第一步，是它載著中國天文學邁向星辰大海的第一步。
我想這FAST的第一顆星，應當獻給南老。
他老若在天有靈，當會感到快慰。
致敬他，也致敬她
FAST望遠鏡以其冠絕群倫的靈敏度，被脈衝星研究者寄以厚望。「脈衝星機器」——一位研究者私下裡這樣稱呼它。
脈衝星，這些恆星巨人們死亡後留下的緻密遺骸，比太陽還要重，卻只有北京五環大小。它轉的飛快：通常幾秒就能自轉一周，快的甚至一秒可以自轉幾百圈。
這樣極端的天體，在1967年被一個24歲女生意外發現之前，是世人難以想像的存在。
以至於她剛剛發現第一顆脈衝星時，以為這是外星人發出的信號，而將其編號為「小綠人一號」（LGM-1）。
她，就是約瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell Burnell）。她是脈衝星科學之母，卻在那個年代中因性別與地位與諾貝爾獎失之交臂，很多人一直為此打抱不平。
她發現的第一顆脈衝星，後編號為CP 1919的這顆，更意外闖入流行文化領域（詳見《一顆脈衝星的流行之旅》）：
這顆脈衝星的脈衝輪廓圖，在1979年被後朋克樂隊「快樂小分隊」（Joy Division）用作其首張唱片「振奮莫名」（Unknown Pleasures）的封面圖，從此成為流行音樂界長盛不衰的經典符號：
Unknown Pleasures唱片封面。
《失序》（Disorder）是這張唱片的第一支單曲。也許脈衝星CP 1919那重巒疊嶂般的脈衝輪廓圖，最契合樂隊歌手們彼時的心境？（可以開著音樂繼續往下看……）
或許歌手們只是無心插柳，但我想，發現一類新天體的豐功偉績，值得人類文明以各種方式歌頌與紀念。
何況我們，受其蔭蔽的天文學人，又怎麼會忘記她呢？
2016年9月17日，FAST望遠鏡第一次試觀測，就是以貝爾脈衝星CP 1919為目標。
那天，信號質量好的讓人迷醉。
FAST望遠鏡試觀測時取得的貝爾脈衝星的平均脈衝輪廓，信噪比高達5300多。圖片來源：國家天文台
而今年剛好是貝爾發現脈衝星50周年，中國的FAST望遠鏡也終於發現了屬於自己的新脈衝星，我們更可以自豪的向前人致敬：放心好了，從今往後，脈衝星科學交給我們來擔當。
脈衝星搜尋競賽
脈衝星的發現，被列入1960年代天文四大發現——另外三個是，類星體、星際有機分子和微波背景輻射。
不是每一個十年都有「三大」「四大」「五大」天文發現——實際上以「某某年代天文四大發現」並稱的，僅此一例。
畢竟，1960年代，乃是射電天文學方興未艾的時代，人類第一次大規模透過光學以外的電磁波窗口向宇宙好奇的瞭望，所見的一切都是新鮮的。
那也是國際射電天文學界群雄逐鹿的年代。得益於二戰中為防禦德國空軍而成長起來的雷達技術，美國、英國及其前殖民地澳大利亞的射電天文技術發展佔得了先機。
脈衝星搜尋這場國際競賽的跑道，正是他們逐鹿的中原。
到脈衝星發現的十周年（1977），各國共發現脈衝星149顆。
1978年，澳大利亞莫朗格洛望遠鏡（Molonglo）在「科學的春天」的同時發力領跑，一鼓作氣將已知脈衝星數量翻了一倍多，達到320顆。
莫朗格洛望遠鏡。圖片來源：UTMOST項目
不過在接下來的20年中，新脈衝星發現的步伐只能說不緊不慢：在位於美屬波多黎各、口徑305米的時任世界最大望遠鏡阿雷西博（Arecibo），美國綠岸天文台（Green Bank）的91米望遠鏡、英國喬德雷爾·班克天文台（Jodrell Bank）的76米望遠鏡，以及澳大利亞帕克斯天文台（Parkes）的64米望遠鏡共同努力下，到脈衝星發現的30周年（1997），各國脈衝星搜尋的累計戰果僅擴大到了705顆。
發現脈衝星第二多的阿雷西博望遠鏡。圖片來源：阿雷西博天文台 H. Schweikerm
脈衝星搜尋的前30年，脈衝星的發現增長几乎是線性，而非我們期待的指數增長。這是由射電望遠鏡的特性所決定的：一般一次只能觀測一個方向，也就是說，傳統上，射電望遠鏡是一個「單像素」的相機。面對浩瀚的銀河系，一個點一個點的測過去，自然進展緩慢。
你會說，如果一次能看多個像素，即使使用同樣的望遠鏡，觀測效率不也可以成倍增長嗎？
正在吊裝的帕克斯望遠鏡13波束接收機。圖片來源：CSIRO
雖然看起來很容易想到，真的做起來可不是那麼回事。在這個回合，澳大利亞人佔據了優勢：他們率先搞出了13波束接收機的黑科技，極大的提升了脈衝星搜尋效率，在接下來的20年里獨步天下。現在人類已知的2600多顆脈衝星里，有超過一半由帕克斯望遠鏡率先發現。
當然，除了技術優勢以外，南半球中緯度地區在一年中大部分時間都可以觀測到銀河系中心附近區域，也是澳大利亞天文學界兩度贏取先機的天然地利。
脈衝星光的「星際穿越」
前面我們提到，FAST發現的第一顆脈衝星距離「粗估1.56萬光年」，這數是怎麼來的呢？
先講一個段子。
剛才講過，去年9月，FAST剛剛出光，頭一個觀測的天體就是貝爾脈衝星。你可能還記得，當時鋪天蓋地的新聞稱「超級天眼收到1351光年外脈衝星信號」云云，說的就是這事。
當時接受採訪的是國家天文台的錢磊副研究員。他在採訪之後從緊張里回過味來，見到鋪天蓋地的「1351光年」，每每感到淡淡的憂傷。他表示，學界目前尚無對貝爾脈衝星的準確距離測量結果，1351光年這個數，純屬記者追問之下，按照一個簡單的方法臨時計算的數值（具體方法見下文），且沒有進行誤差分析，並不宜公開採用——遑論在某些陰謀論標題黨口中變成「1351光年外的神秘信號」，更是讓人看了頭疼。
要知道在科學家心中，沒有誤差分析的測量值沒有任何價值。
那從目前對貝爾脈衝星的研究來看，它的距離的誤差範圍有多大呢？
驚——人——的——大。
2012年，Verbiest等人發表在《天體物理學報》上的一篇文章（2012 ApJ 755 39）給出，貝爾脈衝星的距離是1000光年+2600光年-700光年，誤差上下限之差達3000餘光年，誤差範圍比測量值1000光年還要大幾倍——這是什麼意思呢——這說明，我們只是非常、非常、非常籠統的知道這顆星在哪。
好了，我們正式的看一看，1351光年也好，1.56萬光年也好，是怎麼估計出來的。
我們和大部分脈衝星，都生活在銀河系這個巨大的宇宙都市之中。有都市就有霧霾——地球上的霧霾讓落日變得紅彤彤的，這是因為波長較短的藍光被散射掉了，只剩紅光。
宇宙中的「霧霾」和電磁波發生作用的機理在此處不盡相同：在銀河系旋臂——這座宇宙都市的主幹道——上，點綴著很多明亮的大質量恆星，這些能量飽滿的巨人發出大量的高能光子，將周圍的中性氣體（主要是氫）電離，製造很多「電離氫」區，那裡，大量的自由電子歡呼著「We re free!We re free!」，四處亂竄。
臨近銀河系的星系M33，紅色的是包含大量自由電子的電離氫區。
圖片來源：羅威爾天文台
當脈衝星發出的光穿越這些自由電子組成的「霧霾」時，神奇的事情發生了：頻率較低的光子與自由電子發生較強的相互作用，傳播的速度被拖慢了一些；而頻率較高的光子受到的阻滯反而相對較弱，沒有被拖慢那麼多。
這樣等到脈衝星的光完成「星際穿越」到達地球時，頻率高的光子會先到，頻率低的光子會後到，它們之間的差異被稱為「色散量」。色散量直接與脈衝星信號穿過的自由電子總量（「柱密度」）相關，因而如果我們能通過其他方式先行繪製銀河系中自由電子的分布地圖，就可以按圖索驥地計算出脈衝星的距離了。
FAST試觀測時觀測到的貝爾脈衝星的色散。圖片來源：國家天文台
錢磊老師在對貝爾脈衝星距離的數量級估計中，簡單的使用了銀河系中的平均自由電子密度，得出了與其他研究結果相符合的距離數量級（一千光年的數量級），只因計算器上小數點前剛好出現1351四個數字，被並無惡意的媒體裹挾著製造了一則「假新聞」。錢老師的遭遇，可以算是科學家與媒體溝通失效的一個典型例子。
而FAST發現的首顆新脈衝星的距離，同樣是使用上述原理估計，只不過使用了最新的、更加準確詳實的自由電子分布「地圖」，因此1.56萬光年相對來說是靠譜一些的，誤差範圍估計只有上下幾百光年。但由於這個脈衝星剛剛發現，觀測次數有限，目前還不能給出更嚴謹的誤差估計。
脈衝星：諾獎搖籃
脈衝星於1967年發現，時隔僅7年，1974年的諾貝爾物理學獎就頒發給了脈衝星發現者貝爾同學——的導師——安東尼·休伊什（Antony Hewish）。這在諾貝爾獎「中獎」的緩衝時間中，算是快的了。
可以說脈衝星甫一進入人們的視野，就吸足了眼球。這是因為對天文學家來說太重要、太有用了。
脈衝星之所以重要，是因為它的極端物理性質：首先，它有與原子核相當的高密度，是天然的極端物態實驗室；而這麼大質量的物體如此高速運動，又使其成為極端相對論性的天體。那裡的時空環境跟我們所處的非相對論性天體的環境將會有顯著的不同。
蟹狀星雲及其脈衝星，宋代所載「天關客星」的遺迹。該圖與本段文字無關。
圖片來源：NASA/HST/CXC/ASU/J. Hester et al.
脈衝星的長周期穩定性非常好，有些甚至優於原子鐘；但其周期又不是毫無變化：在光滑的脈衝星表面，偶爾也會發生一些小型的「地震」，這樣的星震會使其自轉周期發生微小的變化。
我們知道，人類之所以能夠了解地球內部分為地殼、地幔和地核的結構，是通過對地震波在全球傳播模式的監測；而脈衝星上的星震怎樣發生，同樣有望向我們揭示它的本質——脈衝星究竟是中子星，還是夸克星？
利用地震波推斷地球內部結構原理示意圖。圖片來源：石油百科
目前對脈衝星結構的猜測。圖片來源：K.C. Gendreau et al. (2012), SPIE
脈衝星中轉的尤其快的一族，被叫做毫秒脈衝星：顧名思義，它們的周期是以毫秒來計算的。如果有一顆脈衝星剛好位於雙星系統中，我們還可以通過觀測其脈衝頻率的變化，推測出它在軌道上與同伴彼此繞轉的情況。
PSR1913+16就是這樣一顆位於雙緻密星系統中的脈衝星，羅素·赫爾斯（Russell Alan Hulse）、小約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr.）兩位天文學家，在休伊什獲得諾貝爾獎的同年，使用阿雷西博望遠鏡發現。
這個發現太珍貴了。兩顆緻密星彼此繞轉時，會強烈攪動周圍的時空，以引力波的形式向外發射能量，同時逐漸消耗雙星系統的勢能、使得彼此越來越接近，繞轉速度也會越來越快，損失能量的速率越來越高。
因而，只要可以確定雙緻密星系統軌道周期的變化過程，就可以間接的驗證引力波的存在——這是在近年來激光干涉引力波技術發展起來之前，我們得以驗證引力波存在的一個捷徑。
赫爾斯-泰勒脈衝星軌道周期累計變化量。
圖片來源：J. M. Weisberg and J. H. Taylor 2004
赫爾斯-泰勒脈衝星就是驗證這一猜想的理想實驗室。自其發現到90年代初，這對雙星的軌道周期減少了大約10秒，嚴格按照廣義相對論所預言的軌跡演進。赫爾斯和泰勒兩人，也因為該發現對廣義相對論的驗證，而獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。
即使在脈衝星周圍轉的不是大質量的緻密星，而是小小的行星，我們也能通過脈衝星信號察覺到它們的存在。實際上，人類發現的第一顆太陽系外的行星，就是通過這種方法發現的。
脈衝星PSR B1257+12行星系統的藝術想像圖。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)
現在，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）已經直接探測到引力波的存在，並為三位相關科學家贏得了2017年的諾貝爾物理學獎。但脈衝星觀測仍然有機會再次在引力波探測領域一展身手：
當引力波掃過地球周圍，它將在較大尺度上同時影響多顆脈衝星傳播到地球的信號。如果我們對臨近脈衝星的周期保持長期監測，就有望通過其周期的整體變化規律，探測到掃過銀河系這一角的引力波的存在。
脈衝星計時陣列觀測引力波。圖片來源：David J. Champion
這被稱為「脈衝星計時陣列」方法。
這個思路與LIGO相比，各有千秋：LIGO只能探測比較高頻的引力波信號，而脈衝星計時陣列則專註於極低頻的引力波信號：它能探測的引力波頻率，比LIGO敏感的頻率範圍，要低10~12個數量級。
如果我們能完全掌握脈衝星周期的變化規律，脈衝星在未來幾百年還將有一個重要的應用場景：
當人類的星艦駛向太陽系之外，脈衝星就成了茫茫星海中名副其實的燈塔。通過對脈衝星周期的監測，星艦可以隨時掌握自身的運動速度，進而推算在宇宙中航行的坐標。這就是所謂「脈衝星導航」。億萬星辰、億萬榮光，人類偉大理想的實現，沒有現今對脈衝星性質的紮實研究，是辦不到的。
脈衝星導航藝術想像圖。
圖片來源：德國馬普地外物理研究所。圖中星艦為電視劇「星際迷航」中的企業號。
「匠」心FAST
FAST望遠鏡與美國阿雷西博望遠鏡，是世界上唯二利用喀斯特地貌中的天然盆地修建的超大口徑射電望遠鏡。在FAST落成前，阿雷西博望遠鏡已經獨霸世界最大口徑射電望遠鏡寶座50多年，利用其拔群的靈敏度做出了很多重大天文學發現。
阿雷西博望遠鏡望遠鏡的口徑是305米，但作為一個固定在盆地中的望遠鏡，它難以通過移動主鏡實現自由四顧，只能通過移動副鏡與饋源的方式，接收不同方向的電磁波。
阿雷西博望遠鏡的副鏡艙（饋源艙），和用來控制其移動指向的懸架系統。圖片來源：David Broad
但阿雷西博望遠鏡的主鏡面是完全固定的球面，成像是不完美的，為了對像差進行改正，上圖所示的饋源艙本身需要對信號做二次、三次反射，複雜的光路讓它不得不變得非常笨重：它重達500多噸。
它的主鏡面採用了主動面技術，每一塊面板都可以在促動器的驅動下上下運動，把鏡面從初始的球面形靈活地變成拋物面型，通過主鏡的主動變形來實現對天體的跟蹤，同時實現對像差的改正。所以FAST望遠鏡的饋源艙外觀非常簡潔，沒有複雜的懸架結構，只要用6根柔性索吊著就可以。
FAST望遠鏡的饋源艙。圖片來源：新華社
FAST望遠鏡的面板促動器。圖片來源：China Daily
當然，飯要一口一口吃，望遠鏡要一步一步調。
FAST望遠鏡在工作時，2225個促動器和6根饋源艙柔性索需要精確、協調的同時運動，要克服天氣等因素對定位測量帶來的干擾，在500米的巨大尺度上把位置精度控制在毫米數量級，挑戰是巨大的。
所以要想實現主動面跟蹤，FAST望遠鏡至少要實現三個「小目標」：第一步，能讓鏡面變形到一個特定的形狀；第二步，能讓鏡面連續變形到指定的形狀；第三步；能讓鏡面長時間、連續變形到指定的形狀。
現在經過初光一年以來的調試，FAST望遠鏡已經完成了第二步，並有望在明年實現第三步，從而達到設計能力，完成其兩到三年調試期的目標，通過國家驗收、正式進入正常運行狀態。
能在一年的時間內完成到第二步，還能在技術調試的空隙中擠點時間發現幾顆脈衝星，FAST工程和科學團隊可以說是棒棒的，給了我們一個小驚喜。
FAST的主要科學目標除了脈衝星科學，還有其他幾項：它想要研究銀河系中瀰漫的氫原子氣體的分布；它想要研究星際分子以及羥基（OH）發射的星際「激光」（脈澤）；它想要找到更多未知的星系。
以往在其他望遠鏡進行這些研究時，會根據不同研究的需求，設計不同的觀測方案。但FAST團隊的雄心是在較短時間內，對FAST可觀測區域的整個北天球部分進行完整的巡測，並同時兼顧上述四個科學目標，實現高效的科學產出。
巡天範圍：天球赤道坐標系緯度（赤緯）-1到38度。圖片來源：國家天文台
對這樣雄心勃勃的大型巡天來說，FAST在明後年即將具備的實時跟蹤能力反而顯得有點多餘：我們不是只想看天上哪一塊，何必非要跟蹤、來回切換目標的折騰，純屬浪費時間。
我們只要把望遠鏡對著一個方向，讓地球自轉帶著天體一個個掃過望遠鏡注視的方向，就可以坐等望遠鏡完成這（在天球上指定緯度範圍內的）全天巡測——這個方案最高效、可靠。完成上述天區的掃描，共需要220個觀測日。考慮到同時進行的技術調試所需佔用的時間，這項巡天計劃需要1到2年的時間來完成。
你見過星軌照片吧，就「坐觀其成」而言，差不多是一個意思。
星軌。圖片來源：Yuri Beletsky Nightscapes
這樣的巡天方式，叫做「掃描巡天」。
這項巡天計劃，被命名為「FAST多科學目標同時掃描巡天」，英文簡稱CRAFTS。
Craftsman是「匠人」的意思。CRAFTS巡天，是FAST人的匠心之作。
CRAFTS巡天標誌。圖片來源：國家天文台
FAST在開展CRAFTS的掃描巡天觀測時，每個天體經過望遠鏡的有效積分時間只有短短數秒。但研究者們預期，在CRAFTS巡天中，FAST仍能憑藉其超強的靈敏度，在已經被英美等國射電望遠鏡犁了幾十年的北天球，發現數百顆新脈衝星。
我們可以期待，在「脈衝星發現60年」的圖表上，將出現一個巨大的新色塊。
它屬於FAST，屬於老南和所有繼續奮戰著的FAST人，屬於中國，屬於世界。
後記：截至發稿，已獲得確認的FAST新發現脈衝星已經達到6顆。全部已確認新發現脈衝星名單見：http://crafts.bao.ac.cn/pulsar/fast_all_pulsar_list/
本文作者劉博洋，中國科學院國家天文台、西澳大學國際射電天文研究中心聯合培養在讀博士，北京大學天文學系校友。公益組織「青年天文教師連線」創始人，中國科普作家協會會員，微信公眾號「天文八卦學」作者。（->對就是本公眾號，求關注）
本文經中國科學院國家天文台授權，由果殼科學人與國家天文台自媒體平台同步刊發。
首發給果殼了，此處不能設置打賞。投喂零錢請使用以下二維碼，感謝！
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